스마트시티의 보안을 위한 사이버보안위협정보 활용 연구

2-1 사이버보안위협정보 포맷 및 공유 표준

사이버 위협정보(CTI, Cyber Threat Intelligence)는 증거를 기반하는 지식으로, 기업의 IT나 정보자산에 위협이 될 수 있는 부분에 실행 가능한 조언을 콘텍스트나 메커니즘, 지표 등으로 제시하는 정보를 의미한다[4]. 이러한 사이버 위협정보를 협력업체 및 기관 간 서로 수집하고 공유하여 보안 시스템에 적용할 경우 다양하고 알려지지 않은 사이버 공격 징후를 사전에 탐지하여 사이버 공격을 차단하는데 큰 도움이 되고 있다. 따라서 세계 각국의 기관들과 보안 회사들은 사이버 위협정보를 공유하기 위한 협의체를 구성하고 있으며 사이버 위협정보의 포맷과 공유를 위한 전송프로토콜 등의 표준들도 제정되고 있다. 이 중 STIX(Structure Threat Information eXpression) /TAXII(Trusted Automated eXchange of Indicator Information) 표준의 경우 시스템 정보, 네트워크 정보, 어플리케이션 정보 등 다양한 정보를 객체로 사전 정의하고 있으며 다른 표준과의 연동이 가능하여 기존 IT영역뿐 아니라 스마트시티의 다양한 도메인에서 확장하여 활용가능하다.

1) STIX

STIX는 미국의 국토안보부에서 지원하여 개발한 사이버 위협정보 관련 표준으로 사이버 위협정보의 개념을 표준화하고 구조화하여 사이버 위협에 대한 일관된 분석과 자동화된 해석이 가능하게 한 정보 표현 규격이다[5]. STIX는 총 8가지 구성요소(Observable, Indicator, Incident, TTP, ThreatActor, Campaign, ExploitTarget, COA)로 사이버 위협정보를 구조화하여 XML 언어로 표현하고 있으며 구성 요소 간 관계는 그림 1.과 같다. 각 구성요소의 설명은 다음과 같다.

Fig. 1.

STIX Structure

- Observable: 사이버공간에서 관찰가능한 모든 이벤트 관련 구조체로 STIX의 기반 구성요소
- Indicator: 위협지표 관련 구조체로 ‘Observable’중 위협지표를 위한 데이터 모음
- Incident: 사고 관련 구조체로 ‘Indicator’중 사이버 공격으로 밝혀진 결과
- TTP(Tactics, Techniques and Procedure): 공격기법 관련 구조체로 ‘Incident’ 배후의 전략 및 기술, 절차 등 공격기법
- Threat Actor: 공격자 관련 구조체로 TTP의 수행주체를 표현
- Campaign: 전체공격 관련 구조체로 Threat Actor의 의도를 달성하기 위한 1개 이상의 사건 및 TTP로 구성된 행위
- ExploitTarget: 취약점 관련 구조체로 Threat Actor의 TTP실행을 위한 SW 및 시스템, 네트워크, 설정 정보의 취약점을 표현
- Course of Action(COA): 대응 관련 구조체로 Exploit 대상 조치내역 및 사건 대응 등을 표현

2-2 Threat Hunting 모델

Threat hunting이란 능동적이고 반복적으로 대상의 위협을 파악하여 보안대책을 수립하고 적용하는 일련의 프로세스들로 대상의 자산, 시스템 그리고 사용기술들을 이해하고 공격자의 TTP를 예측하는 반복적인 과정을 통해 기존 보안 시스템을 우회하는 고도화된 위협을 사전에 발견하고 격리할 수 있는 방안이다. Threat hunting은 공격자를 찾기 위한 침해지표(IoC, Indicator of Compromise) 정보를 수집하고 가설을 세워 분석함으로써 사이버공격절차인 사이버 킬 체인(Cyber Kill chain)의 사전단계에서 공격을 탐지하고 방어하는 것에 초점을 두고 있다. 이러한 Threat Hunting 기법의 주요 모델에는 Sqrrl사의 The hunting Loop[7]와 그림 2.와 같은 Dragos사의 Threat Hunt Cycle[8]이 있으며 이 두 모델의 Threat hunting의 절차 단계를 종합하면 아래와 같다.

Fig. 2.

Threat Hunt Cycle, Dragos INC

- 목적 설정 단계: Threat hunting을 하려는 목적을 명확히 수립하고 예상되는 결과물을 도출
- 범위 설정 단계: Threat hunting의 대상이 되는 시스템, 네트워크, 시설 그리고 사용기술 등에 대한 식별과 이해를 바탕으로 대상에 대해 가능한 위협 가설을 세움
- 도구 및 기술 조사 단계: Threat hunting에 사용될 수 있는 정보 파악과 새로운 정보의 수집 및 저장방안을 조사하고 가용할 인력 및 사용할 도구들을 식별하여 할당
- 계획 평가 단계: Threat hunting의 수립된 위협 가설의 검토와 함께 실행가능 여부 등을 파악하여 평가
- 실행 단계: Threat hunting을 수행하며 진행 결과물들을 수집
- 실행 분석 및 평가 단계: 실행 단계에 수집된 결과물을 분석하여 각 단계들의 개선방안을 도출

2-3 보안위협정보 외부 정보원

외부에서 수집된 다양한 형태의 사이버 위협정보로 활용하기 위해서는 획득된 데이터와 해당 데이터를 수집한 곳에 대한 신뢰성의 검증이 필요하나 이를 위해서는 보호대상 시스템에 대해 지식이 있는 보안전문가의 분석을 통해 수집된 보안 위협정보를 검증하고 해당 위협정보가 획득된 수집지에 적정 중요가중치를 주는 휴리스틱 방식이 선행되어야 한다. 그러나 보안위협정보공유 프레임워크를 위해 구조화되어 있는 보안위협정보를 제공하는 신뢰성이 있는 보안위협정보원을 활용할 경우 검증과 가공에 대한 절차를 생략할 수 있다. 사이버위협정보표현구조체인 STIX로 구조화하기 용이한 사이버보안위협정보를 제공하는 외부 정보원에는 ICS-CERT, NIST NVD(National Vulnerability Database), MITRE CVE(common Vulnerabilities and Exposures) 그리고 MITRE CRIT가 있다 [9][10][11][12].

3-1 적용 도메인 선정 및 네트워크 구성 모델 도출

스마트시티는 교통, 에너지 및 환경, 안전, 의료, 교육 등 다양한 도메인을 포함하고 있으나 해외에서는 국가지원사업 및 프로젝트의 약 70%를 에너지, 교통, 안전의 3개 중점 분야에 우선적으로 집중하여 기술 개발 및 적용하고 있으며 국내의 경우에도 에너지 분야의 스마트그리드, ESS(Energy Storage System), 제로에너지빌딩, 교통 분야 ITS(Intelligent Transport System) 등이 활발하게 스마트시티에 적용되고 있는 현황이다.[13] 따라서 본 논문에서는 스마트시티의 주요 중점 분야인 에너지, 교통, 안전 도메인을 적용 도메인을 대상으로 사이버보안정보 활용 방안을 적용하고자 한다. 이러한 에너지, 교통, 안전 분야는 일종의 제어시스템으로 산업제어시스템과 동일한 네트워크 구조를 따른다. 물론 각 도메인별 특성에 따른 차이점과 구현에 따른 차이점은 존재하지만, 이를 모두 반영하는 것은 불가능하기 때문에, 일반적인 ICS(Industrial Control System) 네트워크 구조를 본 연구의 네트워크 모델로 선정하였다. ICS 네트워크의 주요 참조 아키텍처에는 Purdue 모델, ISA 99 모델, NIST 800-82 모델 그리고 ICS-CERT의 참조모델이 있으나 계층구조의 세분화 정도의 차이를 제외한 네트워크의 구성요소 및 구성요소 간 연결 흐름은 동일하다. 이 중 그림 3.는 ICS-CERT의 ICS 네트워크 참조 아키텍처로 ICS 네트워크의 계층 별 특징들에 대해 가장 잘 식별하고 있기 때문에 이를 본 논문의 네트워크 모델로 선정하였다.

Fig. 3.

Recommended secure network architecture, US ICS-CERT[14]

3-2 사이버보안위협정보 활용 절차 모델

관련 연구의 Threat hunting 모델은 위협을 찾기 위한 수행 단계를 구분한 것으로 구체적인 절차 및 기술 등에 대해서는 명시하고 있지 않다. 본 논문에서는 이를 사이버보안위협정보 활용에 초점을 맞추어 세부 절차를 그림 4.와 같이 도출하였으며 각 절차의 설명은 다음과 같다.

Fig. 4.

Process Model for utilizing CTI

- 범위 설정: 사이버보안위협정보의 수집을 위한 대상이 되는 시스템, 네트워크, 시설 그리고 사용기술 등에 대한 식별
- 내부/외부 사이버보안위협정보 수집: 대상의 내부 정보원와 외부 정보원에서 사이버보안위협 정보를 획득하는 단계로 외부의 정보원의 경우 정보원의 신뢰성 및 정보의 사실 검증이 필요하나 관련 연구에서 기술된 검증된 외부 정보원에서는 STIX 포맷의 검증된 사이버보안위협정보를 수집할 수 있음
- 사이버위협정보 분석: 수집된 사이버위협정보를 분석하여 대상의 위협 가능성이 존재하는지 확인하는 단계
- 위협 탐색: 분석된 사이버위협정보를 활용하여 대상의 위협을 실제로 탐색하는 단계
- 시스템 적용: 위협 탐색의 결과물을 토대로 보안 정책에 반영하거나 보안 시스템에 적용하는 단계
- 사이버보안위협정보 공유 단계: 확인된 보안위협 정보를 공유를 위한 포맷(STIX)으로 변경한 뒤 공유프로토콜(TAXII)을 사용하여 공유하는 단계
- 평가 단계: 사이버보안위협정보를 활용한 위협탐지과정의 결과물을 평가하며 이를 통해 각 단계의 개선방안을 도출하는 단계

4-1 분석대상 범위 설정

제 3장의 산업제어시스템 네트워크 구성모델은 Level 0에서 실제 생산 및 제어 직접적으로 관여하는 장치가 있으며 Level 1에서는 해당 장치로부터 데이터를 취득하고 Level 3에서는 데이터를 활용하여 모니터링 및 제어명령을 지시하는 장치로 구성되어 있다. 본 장에서는 N사의 스마트팩토리 연구를 위한 제조공정 자동화 테스트베드를 대상으로 사이버위협정보 활용 모델을 적용하였다. 해당 테스트베드는 실제 현장에서 사용되는 표 1.의 기기들로 계층적 네트워크를 구성하였으며 산업용 이더넷 프로토콜 중 하나인 Ethernet/IP을 통해 통신하고 있다.

Table 1.

component device in testbed

4-2 내부/외부 사이버보안위협정보 수집

일반 ICS 네트워크의 보안 위협 정보의 경우 ENISA(European Union Agency for Network And Information Security)의 문서[15]를 통해 취약성을 활용하였으며 스마트팩토리에 특화된 취약성 및 위협 분석에는 IIC(Industrial Internet Consortium)의 문서[16]와 PI 4.0(Platform Industrie 4.0)의 문서[17]를 참고하였다. 각 구성 기기의 알려진 취약점에 대해서는 CVE(Common Vulnerabilities and Exposures)를 참고하였다. 예를 들어 테스트베드의 Level 1 제품인 CompactLogix의 취약점 중 CVSS(Common Vulnerability Scoring System)가 높은 취약점은 아래 표 2.와 같다. 이 중 CVE-2012-6442 취약점에 대해 향후 절차들의 세부내용을 제공하고자 한다.

Table 2.

CVE vulnerability of CompactLogix product

4-3 사이버위협정보 분석

CVE-2012-6442 보안 취약점은 공격자가 그림 5.의 최하단의 Service Code 필드를 reset 명령어로 설정한 CIP message를 공격 대상 기기에 지속적으로 보낼 경우 기기의 재설정이 반복되기 때문에 시스템의 가용성이 저해되는 것이다. 해당 취약점에 사용되는 공격 패킷은 정상 포맷과 명령을 사용하기 때문에 테스트베드에서 공격이 수행될 경우 방어하지 못하고 공격이 성공할 확률이 높아 위협가능성은 매우 높다고 판단된다.

Fig. 5.

packet field of Ethernet/IP protocol

4-4 사이버위협 탐색

테스트베드에는 보안시스템이 적용되지 않아 표 3.과 같은 주요 산업용방화벽과 침입탐지시스템들이 테스트베드에 구축되어 있을 경우를 가정하였다. 그러나 해당 보안제품들과 같이 대부분의 산업특화보안제품들은 Serial 기반의 기존 산업용 네트워크프로토콜을 대상으로 하고 있어 테스트베드에서 사용되고 있는 IP 기반의 Ethernet/IP 통신 프로토콜은 지원하지 않는 경우가 많다. 또한 CVE-2012-6442 보안취약점의 경우 정상적인 CIP 메시지 형식과 명령어를 악용한 취약점으로 MAC 및 IP 기반의 단순한 탐지규칙으로는 발견하기 어려워 위협 탐색이 되지 않았다고 가정하였다.

Table 3.

Examples of industrial security products

4-5 시스템 적용

해당 보안취약점에 대응하기 위해서는 보안 사이버위협정보 분석에서 식별된 바와 같이 Application 계층의 CIP 메시지의 명령어 필드의 값을 식별할 수 있어야 하며 메시지 포맷 및 명령은 정상이기 때문에 이를 판별하기 위한 방안이 필요하다.

제조 공정과 같은 산업제어시스템에서는 일반 IT 시스템에 비해 구성기기가 정적이며 동일한 프로세스가 지속적으로 수행되기 때문에 네트워크상에서 주고받는 패킷들도 주기적인 특성이 나타난다. 따라서 산업제어시스템에서는 화이트리스트 기반의 보안이 효과적이며 정상행위의 특성에 대한 세부 분석이 필요하다.

이를 위해 테스트베드에서 정상 환경의 제조 공정 네트워크 패킷을 수집하였으며 주요 특성을 파악하기 위해 NSL-KDD의 41개 feature 중 산업네트환경을 고려한 feature를 선별하여 클러스터링을 수행하였다[18]. 사용된 클러스터링 알고리즘은 DBSCAN, K-means 그리고 hcluster이며 각 클러스터링 알고리즘을 사용한 결과는 그림 6.과 같다. 클러스터링을 결과의 분석을 통해 테스트베드의 네트워크 패킷 특성은 다음과 같다.

Fig. 6.

Clustering result of collected packet

- 사용되는 명령어(Service Code) 종류의 한정: 수집된 Ethernet/IP 패킷의 경우 CIP Read Data와 CIP Get attribute all 명령어로 한정되어 있음
- 정적 기기 간 통신: 수집된 Ethernet/IP 패킷의 경우 IP주소 192.168.1.76과 192.168.1.10을 가진 기기 간 1:1 통신
- 고정된 Ethernet/IP 패킷 크기: CIP 0xAC class의 CIP Read Data의 Request 패킷 사이즈는 102/106 byte이며 Response 패킷 사이즈는 462 byte로 고정이며, CIP get attribute all의 request 패킷 사이즈는 100 bytes 그리고 response 패킷 사이즈는 130 bytes로 고정
- Ethernet/IP 패킷 interval Time: CIP Get Attribute ALL 명령은 5초 간격으로 CIP Read data 명령의 경우 0.5초 간격으로 보내고 있음

위와 같이 도출된 네트워크 패킷 특성을 바탕으로 MAC/IP 주소와 사용되는 명령어를 화이트리스트 규칙으로 추가하고 명령어 별 interval time을 측정하여 설정한 threshold를 벗어나는 패킷을 탐지할 경우 CVE-2012-5422 보안 취약점을 대응할 수 있을 것으로 파악된다.